【仪表网 研发快讯】 结构粒子束(如结构光束、电子束等)已在显微成像、光学操控、计量学、信息存储等领域展现出重要价值。近年来，非相对论体系中的结构自旋极化粒子更是在自旋电子学和量子材料研究中引起广泛关注。相对论结构自旋极化粒子束虽然在高能自旋分辨实验、拓扑自旋态写入与擦除、以及高亮度结构γ光的产生等前沿方向具有潜在应用价值，但是目前相对论结构自旋极化轻子束的产生一直是研究空白，传统的自旋操控装置(如自旋旋转器、韦恩滤波器、西伯利亚蛇等)往往只能在纵向和横向极化之间切换，缺乏对空间自旋结构的灵活调控，而超强超短激光虽然为自旋调控提供了全新可能，但其超强横向场极易导致束流品质下降。
图1：在波导中利用太赫兹产生结构极化轻子束。（a）轻子束自旋在与TE01模式相互作用过程中的时间演化。（b）轻子自旋进动与空间磁场匹配示意图。（c）波导模式为TE01模时极化结构的庞加莱球表示。（d）在TE01模式下，轻子自旋相对于太赫兹相位在x-z平面上的演化。（e）不同自旋极化模式匹配产生的极化结构。
近期，西安交通大学物理学院栗建兴教授团队提出并发展了一种在太赫兹波导管中通过极化-模式匹配产生结构极化轻子束的方案。研究表明，当太赫兹电磁模式与轻子束自旋极化态实现空间匹配时，可以在保持束流品质的同时，实现对自旋结构的精确操控。例如，在TE01模作用下，根据轻子束的极化-模式匹配的不同，可以产生“蜘蛛状”“螺旋型”、角向和径向极化等多样化的自旋结构。
该研究的核心创新在于将波导中特定电磁模式与轻子束自旋极化状态精确匹配。该方案克服了传统自旋控制技术只能在纵向和横向极化间切换的局限，实现了在皮秒尺度的自旋操控，还可以有效抑制束流发散和能散，保持束流品质。该方案基于现有太赫兹技术条件，参数可行性高，且适用于电子、缪子、陶子等多种轻子束。团队通过理论模拟与参数优化，系统分析了波导模式、相速度匹配、自旋-磁场夹角等关键因素对自旋结构的影响，还讨论了通过脉冲整形、波导结构设计和轻子束匹配等途径进一步优化的可能性，为实验的实现提供了理论依据。
相关成果以《相对论结构自旋极化轻子束的产生》(“Generation of Relativistic Structured Spin-Polarized Lepton Beams”)为题，在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表。物理学院李中鹏助理教授为该论文第一作者，物理学院栗建兴教授为该论文的唯一通讯作者。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中核集团创新科学计划、陕西基础科学(数学、物理学)研究院等项目经费的支持。
栗建兴教授团队长期从事高能量密度物理研究，包括人工智能赋能的强场物理、强激光驱动的QED效应、激光核物理等，在本领域国际重要学术期刊发表代表性成果60余篇，包括PRL 12篇，受邀在本领域国际重要学术会议做邀请报告50余次。研究团队隶属于物理学院激光与粒子束科学技术研究所，研究所主要研究方向包括：基于加速器和强激光的高能量密度物理及聚变科学；电子/离子碰撞及激光引起的超快反应动力学；基于超强激光的粒子加速和辐射源及强场QED效应；加速器科学技术在医疗、核能、材料等领域的应用。近5年，研究所主持获批国家级重点、重大项目10余项，在物理顶级学术期刊发表论文20余篇。
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